專利名稱：直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接甲醇燃料電池材料的制備方法，屬于直接甲醇燃料電池的高 效膜電極組件結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
直接甲醇燃料電池(DMFC)是一種將儲存在燃料(甲醇)和氧化劑(氧氣或空氣)中 的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是燃料來源豐富、成本低廉，能量密 度較高，電池工作時燃料直接進(jìn)料，無需重整處理，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)時間短，操作方便，易攜 帶和儲存，是便攜式電子設(shè)備、移動電話、攝像機(jī)和電動汽車?yán)硐氲膭恿υ?，被認(rèn)為最有可 能實現(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用。膜電極(MEA)是燃料電池中電化學(xué)反應(yīng)的唯一場所，是保證電化學(xué)反應(yīng)能高效運(yùn) 行的核心部件，同時它還是物質(zhì)傳遞、電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的重要場所。膜電極是由陽極的支撐 層、微孔層、催化劑層、質(zhì)子交換膜(Nafion膜)、陰極的催化劑層、微孔層、支撐層依次排列 構(gòu)成的層狀疊合體，其制備工藝直接影響到膜電極的微觀結(jié)構(gòu)和電池性能。擴(kuò)散層一般采 用憎水處理過的碳紙或碳布，催化層為Pt黑或PtRu黑。為了使電化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，高效 膜電極組件必須具備反應(yīng)物、產(chǎn)物以及質(zhì)子、電子的連續(xù)通道，而具體到制備工藝，其目標(biāo) 是制備出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的催化層。膜電極制備工藝依據(jù)制備對象不同可分為①GDL法。將催化劑負(fù)載在擴(kuò)散層制 備氣體擴(kuò)散電極，然后與PEM熱壓制備MEA，制備方法有涂覆法、電化學(xué)沉積法，真空濺射 法，絲網(wǎng)印刷法，噴墨打印法等；美國E-TEK公司采用⑶L法已商業(yè)化。該方法制備簡單，重 復(fù)性好，其比表面積比平面電極提高了幾個數(shù)量級，但GDL法制備的催化層厚度難以控制， Nafion溶液的噴涂或浸漬深度一般為10 μ m，難與催化層厚度相匹配，致使催化劑的利用 率降低，且催化層與質(zhì)子交換膜的膨脹系數(shù)不同使得兩者結(jié)合力較低。②CCM法。將催化 劑負(fù)載到質(zhì)子交換膜上，然后熱壓上擴(kuò)散層，制備膜電極，其中包括轉(zhuǎn)移法、噴涂法和真空 濺射法等。真空濺射法可制備性能較好的超薄催化層，但設(shè)備要求高，成本高，操作復(fù)雜，不 適宜商業(yè)化。使用CCM法可以將膜電極制備的很薄，且解決了催化層與質(zhì)子交換膜結(jié)合不 牢等問題。CCM法以其特有的優(yōu)勢發(fā)展很快。Fiseher認(rèn)為合適的孔結(jié)構(gòu)和適宜的憎水性對 DMFC陰極至關(guān)重要。他們在薄層空氣陰極中加入造孔劑，增大了陰極催化層的孔隙率。余 耀倫將碳酸銨引入到DMFC陽極催化層中，采用刷涂的方式制備的膜電極，性能達(dá)到了 200 mff/cm2以上。事實證明加入造孔劑能很大幅度提高電池性能，但，造孔劑肯定會引入諸如銨 根離子等雜質(zhì)，刷涂技術(shù)勢必會使粘結(jié)劑(如Nafion溶液、PTFE溶液)包裹催化劑而使得該 部分催化劑進(jìn)入“死區(qū)”，且造孔效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會使催化層實現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在催化劑漿料配制、噴涂以及熱壓過程都是暴露在空氣環(huán)境中，有學(xué)者，如Wang ^ien-Bo等在Journal of power sources等國際著名期刊發(fā)表其成果，發(fā)現(xiàn)催化劑中存在 催化劑中的貴金屬的氧化物，降低了催化劑的催化效率。為了避免該過程中貴金屬被氧化， 本發(fā)明提出該過程在惰性氣體氛圍中執(zhí)行。
在膜電極制備工藝改進(jìn)上，許多專利，如US 5211984及US 6847518通過優(yōu)化使 用將催化劑漿料制備到轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，再熱壓到質(zhì)子交換膜兩側(cè)組成MEA0有專利，如CN 101626084A及CN 101276919A等分析，上述方法在熱壓過程會造成催化劑殘留在轉(zhuǎn)移介質(zhì) 上，降低催化劑的使用率，故而，他們公開了在加熱狀態(tài)下直接將催化劑漿料噴涂到質(zhì)子交 換膜上，其中，加熱的目的是為了讓Nafion等質(zhì)子交換膜在負(fù)壓狀態(tài)下更好的延展平整。 往質(zhì)子交換膜上直接加熱噴涂的方法，由于催化層和質(zhì)子交換膜在溫度下降中收縮率不同 會造成催化層從質(zhì)子交換膜上剝離的現(xiàn)象，再者加熱噴涂過程造成MEA的失水，當(dāng)裝入電 池運(yùn)行時，由于催化層和質(zhì)子交換膜膨脹系數(shù)不同，勢必會隨著水含量的增加也會造成剝
1 O本發(fā)明在原有立體化基礎(chǔ)上，優(yōu)化為控溫立體化，增加催化層和質(zhì)子交換膜之間 的粗糙度，借以熱壓成型，不會造成催化劑在轉(zhuǎn)移介質(zhì)上的殘留。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)催化層的膜電極的制備方法。該方法提出在 惰性氛圍中操作催化劑漿料的配制、超聲分散、噴涂以及MEA的熱壓密封等，避免催化劑在 潮濕氧氣環(huán)境被氧化而降低催化活性。針對催化層中粘結(jié)劑等高分子成分控溫成型原理， 加熱超聲噴涂制備具有一定空隙率的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)催化層。立體化采用加熱控溫工藝，使 得催化層和質(zhì)子交換膜之間粗糙度增加，結(jié)合熱壓工藝，制備三合一 MEA并在熱壓過程中 密封存放。通過本發(fā)明方法制備的膜電極保證了催化劑的活性，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的催化層結(jié)構(gòu) 增大了催化層的活性表面積，促進(jìn)了催化層中物料傳質(zhì)，降低了甲醇滲透現(xiàn)象，從而提高了 電池的輸出功率密度。加熱控溫立體化工藝進(jìn)一步增強(qiáng)了催化層和質(zhì)子交換膜之間的結(jié)合 力，提高了 MEA的穩(wěn)定性，降低了 MEA的內(nèi)阻。本發(fā)明直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，首先進(jìn)行膜的制備 與預(yù)處理將質(zhì)子型Nafion膜在體積比為5% H2O2水溶液中80°C處理1小時氧化除去膜表 面的有機(jī)物 ’放入80°C的二次蒸餾水中處理1小時以洗滌膜表面的雙氧水及氧化后的副產(chǎn) 物；再用80°C的0.5 mol · Γ1 H2SO4水溶液處理無機(jī)金屬離子；最后置入80°C的二次蒸餾 水中處理1小時以洗滌膜表面的H2SO4 ；處理后的Nafion膜放在二次蒸餾水中備用。一種直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法包括以下步驟
1.催化劑漿料的制備陽極選擇PtRu black催化劑(鉬釕黑催化劑)，陰極選擇Pt black催化劑(鉬黑催化劑)做為陰極催化劑，均采用5 wt %Nafion溶液做粘結(jié)劑，丙醇作 分散劑，在惰性氛圍中混合成催化劑漿料，然后用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)超聲分散均勻；陰陽極 催化劑載量均為l-^ig/cm2。該過程中的催化劑存放、稱量、漿料的配制都在惰性氣體氛圍 中。2.催化層的制備加熱附有轉(zhuǎn)移介質(zhì)的平板加熱器并控制到恒定溫度，將催化劑 漿料以惰性氣體為動力源超聲噴涂到轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，自然晾干。該過程中噴涂到晾干都在惰 性氣體氛圍中。3.控溫加熱立體化為了讓催化層和質(zhì)子交換膜結(jié)合力增強(qiáng)，將載有催化層的轉(zhuǎn) 移介質(zhì)CCM加熱到恒定溫度，采用惰性氣體動力源在催化層靠近質(zhì)子交換膜的一側(cè)超聲噴涂一層粘結(jié)劑溶液。控溫加熱立體化增加了催化層和質(zhì)子交換膜之間的粗糙度，為熱壓制 備催化層和質(zhì)子交換膜結(jié)合力強(qiáng)整體穩(wěn)定性高的MEA打下基礎(chǔ)。4.熱壓成型制備疏水性碳布，將載有陰陽極層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)置于處理過的電解質(zhì) 膜兩側(cè)，將待熱壓的三合一 MEA雛形置入密封膠袋中，在6-12MPa壓力、135-150°C下熱壓2 分鐘，成型，密封待用。使用時，揭掉轉(zhuǎn)移介質(zhì)后得到催化劑和膜復(fù)合體CCM，將疏水處理過 的碳布置于CCM兩側(cè)，裝電池。所述步驟1)中陰極催化劑中貴金屬Pt的載量為2-%ig/cm2，5 wt %Nafion為 0. 004-0. 008mL/cm2,丙醇為0. 111-0. 222mL/cm2 ；陽極催化劑中貴金屬PtRu含量為4 mg/ cm2, 5 wt %Nafion 為 0. 013 mL/cm2，丙醇為 0.235 mL/cm2。所述步驟(2)中的恒定溫度為3(T70°C中的任意一溫度值。所述步驟(1)中對催化劑漿料超聲分散使用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)；所述步驟2)和步 驟3)中超聲噴涂使用sono-tek燃料電池膜電極超聲噴涂系統(tǒng)，sono-tek燃料電池膜電極 超聲噴涂系統(tǒng)的動力源采用惰性氣氛氮?dú)饣蛘邭鍤?。所述步驟(2)中轉(zhuǎn)移介質(zhì)采用PTFE薄膜或者錫紙。進(jìn)一步的，所述步驟(1)和步驟(2)中，所述惰性氣體氛圍為Ar或者N2。進(jìn)一步的，所述步驟(2)中將的平板加熱器加熱到50°C并控制恒定。 進(jìn)一步的，所述步驟(2 )中制備陰陽極催化層時，在噴涂陽極催化劑和陰極催化劑 時，附有轉(zhuǎn)移介質(zhì)的平板加熱器分別控制到不同的恒定溫度。所述步驟3)中的粘結(jié)劑溶液采用0. 3mg/cm2的Nafion溶液。所述步驟3)中對載有催化層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)CCM加熱到50-70°C。本發(fā)明的膜電極采用質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)膜，陽極為鉬釕黑催化劑，陰極為鉬黑 催化劑，支撐層為憎水處理后的碳布。其特征在于，催化劑漿料中催化劑顆粒與粘結(jié)劑高分 子粘合后依據(jù)高分子控溫成型原理，使用惰性氣體加熱控溫超聲噴涂制備具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)的膜電極催化層。該發(fā)明制備的膜電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)于往催化層中添加造孔劑，避免了因造孔引起 的催化層疏松脫落，可穩(wěn)定運(yùn)行于80°C，性能目前可達(dá)206mW/cm2 (工作電壓0. 341V)。通 過該方法制備的膜電極擁有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙分布均勻，孔徑集中，催化層活性面積明顯 增大，電池的輸出功率密度顯著提高。


圖1為本發(fā)明實施例1膜電極性能曲線。圖2為本發(fā)明實施例1膜電極陰極催化層熱壓前的SEM圖。圖3為本發(fā)明實施例2膜電極性能曲線。圖4為本發(fā)明實施例2膜電極在工作電位0. 3V下的交流阻抗圖譜。圖5為本發(fā)明實施例3膜電極性能曲線。
具體實施例方式實施例1
1..膜的制備與預(yù)處理。將Nafion 115膜在體積比為5% H2O2水溶液中80°C處理1小時，隨后80°C下二次蒸餾水中處理1小時，再用80°C的0. 5 mol · L—1 H2SO4水溶液處理，最 后置入80°C的二次蒸餾水中處理1小時后，將Nafion膜放在二次蒸餾水中備用。2.催化劑漿料的制備及催化層的制備。陰陽極分別選擇^^/側(cè)2的Pt black和 4mg/cm2 的 PtRu black催化劑，分別采用 0. 008mL/cm2 和 0. 013 mL/cm2 的 5 wt %Nafion 溶 液做粘結(jié)劑，分別采用0.222mL/cm2和0.235 mL/cm2的丙醇作分散劑。將手套箱抽真空后 充滿Ar氣。在手套箱中稱量催化劑、配制漿料、使用超聲波細(xì)胞破碎機(jī)超聲分散制備催化 劑漿料。將附有PTFE薄膜的平板加熱器升溫加熱并保持恒定溫度，將催化劑漿料置入 sono-tek燃料電池膜電極超聲噴涂系統(tǒng)中，以高純氮?dú)鉃閯恿υ闯晣娡康絇TFE轉(zhuǎn)移介 質(zhì)上。先后在加熱溫度30°C、50°C和70°C下分別噴涂制備MEA，并分別測試。3.控溫加熱立體化。將載有催化層CCM的平板加熱器加熱到50°C，將0. 3mg/cm2 的Nafion溶液超聲噴涂到催化層靠近質(zhì)子交換膜的一側(cè)。噴涂系統(tǒng)的動力源為氮?dú)狻?.疏水性碳布的制備。5.熱壓。將載有陰陽極層的CCM置于處理過的Nafi0nll5膜兩側(cè)，在12ΜΙ^壓力、 135°C下熱壓2分鐘，揭掉PTFE后，將疏水處理過的碳布置于兩側(cè)，裝電池。電池性能測試操作條件電池溫度為80°C，1. 5M甲醇水溶液2. 5ml/min進(jìn)料，氧 氣，流速為520ml/min。電池的性能曲線如圖1所示，說明制備催化層采用控溫分別30、50、 70°C的超聲噴涂效果。制備的膜電極電壓性能相近，功率密度以控溫50°C時最高。圖2為50°C噴涂制備的陰極催化層SEM照片，可見，其三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)明顯。實施例2
1..膜的制備與預(yù)處理。將Nafion 115膜在體積比為5% H2O2水溶液中80°C處理1小 時，隨后80°C下二次蒸餾水中處理1小時，再用80°C的0. 5 mol ·廠1 H2SO4水溶液處理，最 后置入80°C的二次蒸餾水中處理1小時后，將Nafion膜放在二次蒸餾水中備用。2.催化劑漿料的制備及催化層的制備。陰陽極分別選擇ang/cm2的Pt black和 4mg/cm2 的 PtRu black催化劑，分別采用 0. 004mL/cm2 和 0. 013 mL/cm2 的 5 wt %Nafion 溶 液做粘結(jié)劑，分別采用0. lllmL/cm2和0.235 mL/cm2的丙醇作分散劑。將手套箱抽真空后 充滿隊氣。在手套箱中稱量催化劑、配制漿料、使用超聲波細(xì)胞破碎機(jī)超聲分散制備催化 劑漿料。將附有PTFE薄膜的平板加熱器升溫加熱并保持在某恒定溫度，噴涂陰極催化劑 漿料時保持在70°C，噴涂陽極催化劑漿料時保持在50°C，將催化劑漿料置入sono-tek燃料 電池膜電極超聲噴涂系統(tǒng)中，以高純氮?dú)鉃閯恿υ闯晣娡康絇TFE轉(zhuǎn)移介質(zhì)上。3.控溫加熱立體化。將載有催化層CCM的平板加熱器加熱到某恒定溫度，將 0. 3mg/cm2的Nafion溶液超聲噴涂到催化層靠近質(zhì)子交換膜的一側(cè)。噴涂系統(tǒng)的動力源為 氬氣。平板加熱板溫度為室溫和70°C分別立體化，制備MEA并測試。4.疏水性碳布的制備。5.熱壓。將載有陰陽極層的CCM置于處理過的Nafi0nll5膜兩側(cè)，在lOMI^a壓力、 140°C下熱壓2分鐘，揭掉PTFE后，將疏水處理過的碳布置于兩側(cè)，裝電池。電池性能測試操作條件電池溫度為80°C，1. 5M甲醇水溶液2. 5ml/min進(jìn)料，氧 氣，流速為520ml/min。電池的性能曲線如圖3所示，說明加熱立體化明顯改進(jìn)了電池性能和穩(wěn)定性。從交流阻抗圖4可見，加熱立體化后MEA電容特性減弱，說明結(jié)合力增強(qiáng)。實施例3
1..膜的制備與預(yù)處理。將Nafion 115膜在體積比為5% H2O2水溶液中80°C處理1小 時，隨后80°C下二次蒸餾水中處理1小時，再用80°C的0. 5 mol ·廠1 H2SO4水溶液處理，最 后置入80°C的二次蒸餾水中處理1小時后，將Nafion膜放在二次蒸餾水中備用。2.催化劑漿料的制備及催化層的制備。陰陽極分別選擇^rig/cm2的Pt black和 4mg/cm2 的 PtRu black催化劑，分別采用 0. 006mL/cm2 和 0. 013 mL/cm2 的 5 wt %Nafion 溶 液做粘結(jié)劑，分別采用0. 167mL/cm2和0.235 mL/cm2的丙醇作分散劑。將手套箱抽真空后 充滿隊氣。在手套箱中稱量催化劑、配制漿料、使用超聲波細(xì)胞破碎機(jī)超聲分散制備催化 劑漿料。將附有PTFE薄膜的平板加熱器升溫加熱并保持在60°C，將催化劑漿料置入 sono-tek燃料電池膜電極超聲噴涂系統(tǒng)中，以高純氮?dú)鉃閯恿υ闯晣娡康絇TFE轉(zhuǎn)移介 質(zhì)上。3.控溫加熱立體化。將載有催化層CCM的平板加熱器加熱到60°C，將0. 3mg/cm2 的Nafion溶液超聲噴涂到催化層靠近質(zhì)子交換膜的一側(cè)。噴涂系統(tǒng)的動力源為氬氣。4.疏水性碳布的制備。5.熱壓。將載有陰陽極層的CCM置于處理過的Nafi0nll5膜兩側(cè)，在8MPa壓力、 150°C下熱壓2分鐘，揭掉PTFE后，將疏水處理過的碳布置于兩側(cè)，裝電池。電池性能測試操作條件電池溫度為80°C，1. 5M甲醇水溶液2. 5ml/min進(jìn)料，氧 氣，流速為520ml/min。電池的性能曲線如圖5所示，該MEA的性能圖。實施例4
1..膜的制備與預(yù)處理。將Nafion 115膜在體積比為5% H2O2水溶液中80°C處理1小 時，隨后80°C下二次蒸餾水中處理1小時，再用80°C的0. 5 mol ·廠1 H2SO4水溶液處理，最 后置入80°C的二次蒸餾水中處理1小時后，將Nafion膜放在二次蒸餾水中備用。2.催化劑漿料的制備及催化層的制備。陰陽極分別選擇^rig/cm2的Pt black和 4mg/cm2 的 PtRu black催化劑，分別采用 0. 006mL/cm2 和 0. 013 mL/cm2 的 5 wt %Nafion 溶 液做粘結(jié)劑，分別采用0. 167mL/cm2和0.235 mL/cm2的丙醇作分散劑。將手套箱抽真空后 充滿隊氣。在手套箱中稱量催化劑、配制漿料、使用超聲波細(xì)胞破碎機(jī)超聲分散制備催化 劑漿料。將附有錫紙的平板加熱器升溫加熱并保持在60°C，將催化劑漿料置入sono-tek 燃料電池膜電極超聲噴涂系統(tǒng)中，以高純氮?dú)鉃閯恿υ闯晣娡康藉a紙上。3.控溫加熱立體化。將載有催化層CCM的平板加熱器加熱到60°C，將0. 3mg/cm2 的Nafion溶液超聲噴涂到催化層靠近質(zhì)子交換膜的一側(cè)。噴涂系統(tǒng)的動力源為氬氣。4.疏水性碳布的制備。5.熱壓。將載有陰陽極層的CCM置于處理過的Nafi0nll5膜兩側(cè)，在8MPa壓力、 150°C下熱壓2分鐘，揭掉錫紙后，將疏水處理過的碳布置于兩側(cè)，裝電池。
權(quán)利要求
1.直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，其特征在于包括如下過程1)催化劑漿料的制備選擇PtRuBlack催化劑做為陽極催化劑，Pt Black催化劑做 為陰極催化劑，采用5 wt %Nafion溶液做粘結(jié)劑，丙醇作分散劑，分別混合配制陽極和陰 極催化劑漿料，其中，陰、陽極催化劑載量均為l-^ig/cm2 ；然后冰浴超聲分散均勻；整個過 程從稱量催化劑、漿料配制、超聲均勻都在惰性氣體氛圍中進(jìn)行；2)催化層的制備在惰性氣體氛圍中，將附有轉(zhuǎn)移介質(zhì)的平板加熱器升溫并控制到恒 定溫度，將催化劑漿料以惰性氣體為動力源超聲噴涂到轉(zhuǎn)移介質(zhì)上，自然晾干；3)控溫加熱立體化將載有催化層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)CCM加熱到恒定溫度，采用惰性氣體動 力源在催化層靠近質(zhì)子交換膜的一側(cè)超聲噴涂一層粘結(jié)劑溶液；4)熱壓成型制備疏水性碳布，將載有陰陽極層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)置于處理過的電解質(zhì)膜兩 側(cè)，在6-12MPa壓力、135-150°C下熱壓2分鐘，揭掉轉(zhuǎn)移介質(zhì)后得到催化劑和膜復(fù)合體CCM， 將疏水處理過的碳布置于CCM兩側(cè)，裝電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法， 其特征在于，步驟1)中陰極催化劑中貴金屬Pt的載量為2-%ig/cm2，5 wt %Nafion為 0. 004-0. 008mL/cm2,丙醇為0. 111-0. 222mL/cm2 ；陽極催化劑中貴金屬PtRu含量為4 mg/ cm2, 5 wt %Nafion 為 0. 013 mL/cm2，丙醇為 0.235 mL/cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，其特 征在于，所述步驟(2)中的恒定溫度為3(T70°C中的任意一溫度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，其特 征在于，所述步驟(1)中對催化劑漿料超聲分散使用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)；所述步驟2)和步 驟3)中超聲噴涂使用sono-tek燃料電池膜電極超聲噴涂系統(tǒng)，sono-tek燃料電池膜電極 超聲噴涂系統(tǒng)的動力源采用惰性氣氛氮?dú)饣蛘邭鍤狻?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，其特 征在于，所述步驟(1)和步驟(2)中惰性氣體氛圍為Ar或者N2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3中所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方 法，其特征在于，所述步驟(2)中轉(zhuǎn)移介質(zhì)采用PTFE薄膜或者錫紙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，其特 征在于，所述步驟(2)中將的平板加熱器加熱到50°C并控制恒定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法， 其特征在于，所述步驟(2)中制備陰陽極催化層時，在噴涂陽極催化劑和陰極催化劑時，附 有轉(zhuǎn)移介質(zhì)的平板加熱器分別控制到不同的恒定溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，其特 征在于，所述步驟3)中的粘結(jié)劑溶液采用0. 3mg/cm2的Nafion溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接甲醇燃料電池用三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)膜電極的制備方法，其 特征在于，對步驟3)中對載有催化層的轉(zhuǎn)移介質(zhì)CCM加熱到50-70°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種直接甲醇燃料電池用膜電極的制備方法，屬于直接甲醇燃料電池高效膜電極組件結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)領(lǐng)域。采用控溫超聲噴涂工藝制備膜電極中的催化層，以實現(xiàn)催化層的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加催化劑暴露于三相界面的活性位點(diǎn)數(shù)量，為氣液傳輸提供通道，再以憎水處理的碳布為擴(kuò)散層、Nafion膜為質(zhì)子交換膜、Pt黑和PtRu黑為催化劑、丙醇為分散劑、Nafion溶液為催化層中粘結(jié)劑、PTFE膜或錫紙為轉(zhuǎn)移介質(zhì)，將催化層從轉(zhuǎn)移介質(zhì)轉(zhuǎn)壓到質(zhì)子交換膜兩側(cè)，最后將擴(kuò)散層熱壓到上面，形成的層狀結(jié)合體即為膜電極。通過該方法制備的膜電極擁有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔隙分布均勻，孔徑集中，催化層活性面積明顯增大，電池的輸出功率密度顯著提高。
文檔編號H01M4/88GK102088092SQ20111000344
公開日2011年6月8日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者劉桂成, 吳珺, 李建玲, 王一拓, 王新東, 王萌, 苗睿瑛, 趙婷婷 申請人:北京科技大學(xué)